• Author / Uploaded
• nerico900

• Categories
• Magnetismo
• Potencia (Física)
• Equipo eléctrico
• Electricidad
• Electromagnetismo

Citation preview

FICHA DE RESUMEN Título de Proyecto: Regulador Monolítico de Tensión y Corriente Fijos y Variables Resumen: La Historial de los reguladores de voltaje lineales comenzó por una necesidad de simplificar los procesos en la entrega de voltaje regulado, en el menor tiempo de diseño posible. La empresa norteamericana Fairchild Semiconductor fundada en 1957 indujo al mercado el primero circuito integrado comercialmente viable la cual se convirtió en unos de los mayores actores en el mercado. A mediados del año en 1968 la empresa Fairchild logro integrar en un solo circuito integrado el uA 723, que es un amplificador operacional, un diodo Zener, unas resistencias y unos transistores, logrando así el primer regulador monolítico que en la actualidad se utiliza. Estos circuitos llevan consigo internamente circuitos de protección. La capacidad de entrega de corriente está limitada por lo que el diseñador debe añadir transistores externos para aumentar su capacidad. Asimismo, debe adicionar una resistencia para así limitar la corriente a un valor aceptable en caso de que haya un corto circuito en la salida. Desde ese momento se dio inicio la carrera para el diseño de un circuito regulador de voltaje fijo la cual consta de tres terminales de 6,8,9,12,15,18 y 24 voltios. La cual, fue ganada por la National Simiconductor con el LM309. Poco después la empresa Fairchild saco la serie 7800 que luego comenzó con el 7805, que da una salida de 5 voltios. En ambos casos solo es necesario conectar en la entrada de la fuente de tención no regulada a la salida de la carga. Se pone en la entrada y a la salida unos capacitadores des acopladores para mejorar el rendimiento. Con la popularidad que ya tenían los reguladores de voltaje fijo lo normal y la necesidad del mercado hacían tomar el paso lógico de diseñar un regulador de salida variable y de excelente rendimiento. Poco después de la salida del LM117, salió al mercado el LM137 que tenía una salida variable negativa

En este proyecto comprenderemos el papel que cumple el regulador monolito de Voltaje Servo Estabilizadores y Estáticos

La fuente de voltaje variable con el LM317T es una fuente de voltaje ideal para personas que necesitan una salida de voltaje variable (1.5 V a 15.0 Voltios) con capacidad de entrega de corriente continua de hasta de 1.5 Amperios. Si se utiliza el LM317 solo se obtienen 500 mA a la salida, suficiente para muchas aplicaciones, pero en este caso utilizamos elLM317T que porque puede entregar más corriente. Este dispositivo tiene protección contra sobre corrientes que evita el integrado se queme accidentalmente debido a un corto circuito. El voltaje de salida depende de la posición que tenga la patilla variable del potenciómetro de 5 KΩ (kilohmios), patilla que se conecta a la patilla de AJUSTE del integrado. (COM) El LM317 es un regulador de tensión ajustable de tres terminales, capaz de suministrar en condiciones normales 1.5 A, en un rango que va desde 1,2 hasta 37 Voltios. Es uno de los primeros reguladores ajustables de la historia; el primero que salió fue el LM117, y más tarde el LM137 el cual tenía una salida negativa; después le siguió el LM317 siendo notablemente popular Para su empleo solo requiere dos resistores exteriores para conseguir el valor de salida. De hecho la línea de carga y regulación es mejor que en los reguladores fijos. Además de

las mejores características respecto a los reguladores fijos, dispone de protección por limitación de corriente y exceso de temperatura, siendo funcional la protección por sobrecarga, incluso si el terminal de regulación está desconectado. Normalmente no necesita condensadores mientras esté a menos de 15 centímetros de los filtros de alimentación. Dado que es un regulador flotante y solo ve la entrada a la salida del voltaje diferencial, se puede utilizar para regular altas tensiones mientras no se supere el diferencial de entrada/salida (40V).

La tensión entre la patilla ajuste y salida es siempre de 1,25 voltios (tensión establecida internamente por el regulador), y en consecuencia la corriente que circula por el resistor R1 es: IR1 = V / R1 = 1,25/R1 Esta misma corriente es la que circula por R2. Entonces la tensión en R2: VR2 = IR1 x R2. Si se sustituye IR1 en la última fórmula se obtiene la siguiente ecuación: VR2 = 1,25 x R2 / R1. Como la tensión de salida es: Vout = VR1 + VR2, entonces: Vout = 1,25 [V] + (1,25 x R2 / R1)[V] simplificando (factor común) Vout = 1,25(1+R2 / R1) [V] De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable), se modifica la tensión Vout En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente (IADJ) que circula entre la patilla de ajuste (ADJ) y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar, tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la carga y/o de la tensión de entrada. Con el propósito de optimizar la regulación, el resistor R1 se debe colocar lo más cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra del resistor R2 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga El transformador debe de tener un secundario con un voltaje lo suficientemente alto como para que la entrada al regulador IN se mantenga 3 voltios por encima de su salida OUT a plena carga, esto debido a requisitos de diseño del circuito integrado. En este caso se espera obtener, a la salida, un máximo de 15.0 voltios lo que significa que a la entrada del integrado debe de haber por lo menos 18.0 Voltios.

Se puede poner un diodo entre los terminales de salida y entrada para proteger al regulador de posibles voltajes en sentido opuesto. Para obtener un voltaje de 18 voltios en la entrada IN se debe tener un transformador con un voltaje de: 18 voltios /1.41 = 12.77 Voltios a.c.. Normalmente se encuentran transformadores con un voltaje en el secundario de 12.6 voltios, lo que significa que el voltaje final máximo que se puede obtener con este regulador es el esperado. Esto se hace debido a que cuando la fuente de voltaje se apaga, algunas veces el voltaje de salida se mantiene alto por más tiempo que el voltaje de entrada. Se pone el cátodo hacia la patita IN y el ánodo hacia la patita OUT

Un capacitor electrolítico de 100uF se coloca a la salida para mejorar la respuesta transitoria, y un capacitor de 0.1uF (no se encuentra en el diagrama) se recomienda colocar en la entrada del regulador si éste no se encuentra cerca del capacitor electrolítico de 4,700uF. Ver la configuración de patillas del LM317 en el diagrama.

La elevación de tensión con la serie 78XX

Recordemos que, cuando conectamos un grupo de resistencias en serie, cada una provoca una caída de tensión que es proporcional al valor de la resistencia. En el supuesto de que las resistencias sean iguales, la caída de tensión en cada resistencia será la misma

Los circuitos integrados

reguladores,

no

son

más

que

una fuente

de

alimentación estabilizada mediante un diodo zener, y este zener está colocado entre las patillas In y Adj del integrado.

Para entender porqué realzamos la tensión de salida de un circuito integrado de este tipo, cuando en su entrada "Adj" colocamos un diodo o una resistencia, vamos a partir de un supuesto práctico, veamos el siguiente circuito

En el gráfico de la izquierda vemos una fuente de alimentación estabilizada mediante diodo zener, a fines de entender el supuesto que nos ocupa, hemos considerado un circuito en el que hay una línea común, los 0V, y dos positivas de +10V y +25V referenciadas a esos 0V. Si nosotros colocamos el zener entre la línea de +25V y la línea de 0V, tal y como vemos en el gráfico, las salidasque obtendremos serán de +5V y +10V (siempre referidas a la línea de 0V).

El circuito equivalente con un integrado regulador lo vemos en la figura de la derecha. Si, ahora, nosotros el zener lo disponemos entre la línea de 10V y la de 0V, obtendremos en la salida +25V y +5V. El esquema de este circuito y su equivalente con un integrado regulador lo vemos en la figura de abajo.

OBJETIVOS: 

Tener la base histórica del regulador monolítico controlado fijo y variable



Conocer el principio de funcionamiento del regulador monolítico



Reconocer los diferentes tipos de reguladores que existen en el mercado.



Conocer las características y especificaciones técnicas previas a su uso.



Identificar al regulador monolítico dentro de una fuente reguladora



Apreciar la importancia que tiene el regulador monolítico dentro de la fase reguladora dentro de la fuente reguladora.

INTRODUCCION: Existen pastillas de circuito integrado que funcionan como reguladores de tensión, lo que representa ventajas respecto a los circuitos con elementos discretos. Los módulos básicos pueden usarse directamente o agregando componentes exteriores. Con este tipo de dispositivos se alcanzan tensiones de salida reguladas que varían entre cero voltios y algunos centenares. El fabricante suministra toda la información necesaria para un uso de terminales hacia afuera: tensión de salida (fija o ajustable), corriente máxima de salida, regulación, rizado, margen de la tensión de entrada, margen de temperatura de funcionamiento, étc.

DESCRIPCION DEL PROYECTO FUNDAMENTO TEORICO Reguladores fijos En la mayoría de las aplicaciones se requiere una tensión fija y estable de un determinado valor. La línea de reguladores ideales para este tipo de necesidades es la conocida como LM78XX. Las primeras letras y dos números corresponden a la denominación, mientras que

las dos últimas XX deben ser reemplazados por la tensión de salida requerida. Las tensiones disponibles de observan en la siguiente tabla: Número LM7805 LM7806 LM7808 LM7809 LM7812 LM7815 LM7818 LM7824 LM7830

Tensión de salida 5 Voltios 6 Voltios 8 Voltios 9 Voltios 12 Voltios 15 Voltios 18 Voltios 24 Voltios 30 Voltios

Cada uno de estos dispositivos posee sólo tres terminales, una corresponde a la entrada de tensión no regulada, otra es la salida regulada y la restante es la masa común a ambas.

Reguladores de tensión variable En ciertas ocasiones, sobre todo cuando realizamos alguna aplicación de laboratorio, es necesario disponer de una fuente que posea una tensión de salida regulable.

Como no podía ser de otra forma existen distintas formas muy simples de realizarlas con reguladores integrados. La primera forma que veremos es a través de la utilización de la, a esta altura conocida, serie LM78XX. Este diseño sirve tanto para generar una fuente regulable, como para una fuente fija que provea un valor de tensión no convencional. Por ejemplo, a través de este circuito es factible el desarrollo de una fuente fija de 7,2V con todas las ventajas que los reguladores integrados

ofrecen.

Un

posible

diseño

es

el

siguiente:

El principio de funcionamiento de esta configuración no resulta para nada complicado. Entre sus terminales GND y OUT del regulador se desarrolla una tensión de XX voltios (recordar el significado de las equis). Esta tensión aparece sobre los bornes de R1 desarrollándose así una corriente I de XX/R1 amperios. Ahora bien, la tensión de salida es I*(R1+R2), ósea (XX/R1)*(R1+R2). Es decir que, la tensión de salida es de XX*(R2/R1+1) voltios. Si R2 es un potenciómetro, entonces disponemos de una fuente de tensión regulable. Basta variar R2 para que la tensión de salida variara a un valor deseado. Una vez fijado este valor, se mantiene casi constante ya que sólo depende XX (salida del regulador) que es casi constante. Si, por el contrario, R2 es una resistencia fija, La tensión de salida se mantendrá casi constante en el valor prefijado creando así una fuente de tensión de un valor no estándar.

Un detalle importante a resaltar, que surge de la observación del término entre paréntesis

de la expresión de salida, es que la tensión de salida mínima es la propia tensión nominal del regulador, cualquiera sea la relación R2/R1 escogida. Es por este motivo, y teniendo en cuenta que la mínima tensión nominal de la línea 78/79XX es de cinco voltios, que este diseño no es útil para el diseño de una fuente de tensión versátil de laboratorio. Para ello recurriremos a otro tipo de regulador integrado. Amplificación de la corriente de salida Como ya comentamos, la corriente de salida de un regulador integrado de este tipo es, en el mejor de los caso, de dos amperios. Este valor puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones de potencia. Es por este motivo que, a través del agregado de algunos componentes, amplificaremos la corriente de salida hasta casi cualquier valor. El principio básico es el siguiente:

Observando con detenimiento el diseño, se notará que la corriente de salida circula ahora también por RL. Al hacer esto provoca una caída de tensión sobre esta resistencia que, es a su vez, la tensión VBE que se aplica al transistor T1. Cuando la mencionada tensión que cae sobre RL sea levemente superior a 0,6 voltios T1 comenzará a conducir, evitando de esta forma el grueso de la corriente pase por el regulador. De esta forma, y con el uso de uno o varios transistores adecuados, se puede obtener a la salida del regulador casi cualquier

corriente.

El cálculo de RL Resulta, según lo indicado arriba, muy sencillo. Entonces será: RL=VBE/IL

EXPERIENCIA Fuente de alimentación irrompible (DIY) Entre los equipos indispensables que debemos tener en nuestro taller se encuentra la fuente de alimentación ajustable. Con muy poco dinero y esfuerzo podemos construir nosotros mismos una fuente que nos permita trabajar en toda la variedad de circuitos que puedan pasar por nuestra mesa de trabajo. La versatilidad y facilidad de uso que nos ofrece el regulador variable LM317 constituyen el principal atractivo de este montaje. Además, el diseño cuenta con una protección contra cortocircuitos que la convierte en irrompible. Si recién estás dando tus primeros pasos en electrónica, esta fuente es un montaje ideal para comenzar con una construcción verdaderamente útil. En otros artículos hemos visto la posibilidad y forma de construir fuentes de alimentación para diferentes circuitos que poseían tensiones fijas en sus salidas. A pesar de ser elementos muy sencillos de construir, no podemos tener una fuente para cada tensión que necesitemos. Lo más aconsejable es tener una sola y que sea ajustable en su valor de tensión de salida. El circuito integrado LM317 es un regulador serie ajustable, capaz de trabajar con hasta 40 Volts de corriente continua de entrada y capaz de entregarnos a su salida una tensión ajustable de entre 2 y 37 Volts.

En nuestro caso no necesitamos tanta tensión para nuestros diseños por lo que sólo necesitaremos un transformador que sea capaz de entregarnos 18 Volts de tensión alterna en su secundario, con una posibilidad de corriente cercana a los 3 o 4 Amperes. El circuito empleado es muy sencillo de interpretar y sólo requiere de pequeños detalles a tener en cuenta por el armador, detalles que no deben dejarse de lado por más superfluos que parezcan. Un ejemplo muy elemental es no dejar de utilizar todos los componentes que se observan en el circuito, como podría ser el caso del fusible o de alguno de los capacitores mencionados en el esquema. Primero debemos plantearnos qué queremos hacer y luego comprender las etapas que requiere el diseño emprendido. De esta forma, iniciamos el trabajo con un diagrama en bloques que nos muestra las diferentes partes que componen nuestra fuente de alimentación y en el que vemos destacadas las secciones más importantes que componen el circuito, estando en primer lugar, a la izquierda del diagrama, el transformador de alimentación que mencionamos en el párrafo anterior. Es importante aclarar que la potencia del transformador debiera ser acorde a la capacidad de corriente de los diodos y el/los transistores que se utilicen en la etapa de regulación. Es decir, no es necesario colocar diodos que soporten 25 Amperes cuando el transformador sólo puede entregar una corriente de 3 Amperes. Lo mismo ocurre con el/los transistores de potencia, aunque sin caer en sobredimensiones groseras, siempre es bueno colocar dispositivos que

sean capaces de trabajar con el doble o triple de la corriente nominal que utilizaremos nosotros. Esto le dará a la construcción la posibilidad de operar en un rango de seguridad y a bajas temperaturas, lo que redundará en una vida útil más prolongada y sin sobresaltos.

Como indicábamos, en el puente de diodos te sugerimos utilizar diodos comunes de 6 Amperes X 600 o 1000 Volts. En el filtrado observarás que se utilizan dos capacitores de 4700 microfaradios. Te preguntarás por qué dos de 4700 y no uno solo de 10000. La respuesta es la siguiente: para obtener una menor resistencia serie equivalente (ESR). Esto permitirá lograr una mejor absorción y filtrado de los ruidos de alta frecuencia que existen en la red eléctrica y que, por supuesto, atraviesan el transformador de alimentación. Podemos decir también que si deseas utilizar cuatro capacitores de 2200 microfaradios sería mejor aún. Para la etapa de regulación vemos al circuito integrado LM317 como actor principal, actuando como driver para excitar un TIP35. Para nuestras necesidades, este transistor es más que suficiente, pero si algún día deseas ampliar la capacidad de corriente de tu fuente de alimentación, puedes colocar dos, tres o cuatro transistores de este tipo en

paralelo. Por supuesto que deberás también incrementar la capacidad de conducción de corriente de los diodos rectificadores y del transformador de alimentación.

El potenciómetro de control que se conecta referido a GND nos permite obtener una excusión en la tensión de salida desde un valor mínimo y cercano a los cero volt hasta un valor máximo cercano a la tensión rectificada y filtrada. Por su parte, el circuito de protección contra cortocircuitos se encarga de sensar en forma permanente la tensión que circula a través de la resistencia de bajo valor que cierra el circuito a GND. A este terminal también se lo conoce como “tierra” y es muy importante, si deseas aprender a hablar con propiedad y con una buena terminología electrónica, que nunca lo llames “masa” ni “negativo”. A pesar de que entre los técnicos está implantado de facto, estos términos no son los apropiados cuando se habla del terminal de retorno de alimentación. Con la masa se hace la pasta de los domingos y el terminal negativo posee precisamente lo indicado: tensión negativa o potencial negativo. Tierra o GND son invariable e inequívocamente los correctos indicadores de un potencial cero.

Como indicábamos, a medida que circule mayor corriente por la resistencia de bajo valor que cierra el circuito de GND, obtendremos una mayor diferencia de potencial entre sus extremos por simple Ley de Ohm (V = I * R). Si la tensión obtenida en los extremos de esta resistencia supera un determinado valor, que será ajustado por P3, el transistor T2 pasará a la saturación (conducción plena) llevando el terminal de ajuste de tensión del LM317 a su

valor mínimo. De este modo, la salida de tensión caerá al mínimo valor posible, evitando una circulación excesiva y peligrosa de corriente.

Ésta es una virtud muy importante de la fuente de alimentación ya que de este modo obtendremos una protección integral absoluta. No sólo cuidaremos que nuestros circuitos no se destruyan ante un eventual malfuncionamiento de algún componente sino que, además, nuestra nueva “herramienta” estará protegida contra accidentales cortocircuitos en su salida, es decir, en nuestros montajes, cualidad que la hace irrompible. Entre los últimos detalles a destacar podemos agregar que la inclusión de capacitores de 100nF en paralelo con 1nF en la salida no es antojadiza ni tampoco lo es la colocación de capacitores electrolíticos en paralelo con capacitores cerámicos. La capacidad de conducción a GND de los ruidos inducidos por transitorios o por radiofrecuencia cercana varía de un valor capacitivo a otro y de un tipo de construcción a otra. Es por esto que se colocan todos estos capacitores en paralelo. Todos los capacitores empleados en el circuito deben ser de 63 Volts de tensión de aislación y las resistencias o resistores serán de ½ Watt, salvo que en el circuito se indique otro valor. Una construcción ideal podría involucrar el agregado de un voltímetro y de un amperímetro para tener pleno conocimiento de los valores de tensión y de corriente que será capaz de suministrar nuestra fuente. Además, la posibilidad de obtener los valores de consumo en potencia de nuestros circuitos nos permitirá mejorar los desarrollos en pos de una optimización energética adecuada a estos tiempos